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Die
Erfindung betrifft eine Lötvorrichtung zum
Löten von
Flachbaugruppen mit einem Lotbehälter
zur Aufnahme eines Lotbades und einer den Lotbehälter abdeckenden Ummantelung
zur Aufnahme einer Schutzgasatmosphäre, bei der die Flachbaugruppen
zum Kontaktieren mit einer im Lotbehälter erzeugten Lötwelle durch
einen Eingangsbereich der Ummantelung hineingeführt und durch einen Ausgangsbereich
der Ummantelung herausgeführt werden,
sowie mit einer Gaszuführung
zur Versorgung von wenigstens einer im Eingangsbereich und/oder
im Ausgangsbereich angeordneten Gasdüse zur Herstellung eines die
Schutzgasatmosphäre von
der Umgebungsatmosphäre
trennenden Gasvorhangs, welche Gaszuführung mit einer Heizeinrichtung
zum Aufheizen des zur Herstellung des Gasvorhang eingesetzten Gases
strömungsverbunden
ist.
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Beim
Löten von
Flachbaugruppen in Lötvorrichtungen,
bei denen die Oberfläche
des Lötbades der
Luft ausgesetzt ist, besteht das Problem, dass die Oberfläche des
Lötbades
mit Luftsauerstoff reagiert und eine Oxidschicht erzeugt, die die
Benetzung der zu lötenden
Verbindungen mit Lotmittel beeinträchtigt. Durch Strömungen innerhalb
des Lotbades wird die Oxidschicht ständig aufgerissen, so dass fortlaufend
neue Oberflächenbereiche
der Oxidation ausgesetzt sind.
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Um
den Oxidationsprozess zu unterbinden, erfolgt die Benetzung durch
das Lötmittel
daher meist in einer Schutzgasatmosphäre mit stark reduziertem Sauerstoffanteil.
Hierzu wird üblicherweise
die gesamte Löteinrichtung
oder – wie
in der
EP 0 500 135 B1 vorgeschlagen – lediglich
der eigentliche Lötbehälter mit
einem Gehäuse
umgeben, in das Schutzgas eingeführt
wird.
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Die
Hauben- oder Tunnelkonstruktionen weisen dabei jeweils einen Einlass
und einen Auslass für die
Flachbaugruppen auf. Um den Anteil des oxidierenden Gases (Sauerstoff)
in der Ummantelung möglichst
gering zu halten, werden die Ein- und Auslässe durch unterschiedliche
Maßnahmen
gegen Sauerstoffeintritt abgedichtet (
EP 0 500 135 B1 ,
DE 41 42 436 A1 ,
DE 42 19 913 A1 ).
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Aus
der DE-U 1 85 20 254 ist ein Schleusensystem für eine die gesamte Lötvorrichtung
umgebende Einhausung bekannt, die automatisch betriebene Einlass-
und Auslassklappen aufweist. Mit diesen automatisch betriebenen
Einlass- und Auslassklappen kann eine hohe Dichtigkeit im Leerlaufbetrieb
(Stand-by) erreicht werden. Passiert eine Leiterplatte diese Klappe,
so wird der gesamte Querschnitt geöffnet. Systeme mit zwei automatisch
betriebenen Einlass- und Auslassklappen arbeiten in Form einer Schleuse,
die allerdings hohen Steuerungsbedarf erfordern und nur für große, eingehauste
Lötvorrichtungen
eingesetzt werden. Die Systeme sind wartungsintensiv, besitzen hohe
Ausfallraten und ermöglichen keinen
kontinuierlichen Transport der Flachbaugruppen durch die Ummantelung.
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Darüber hinaus
ist in der
DE 197
49 184 A1 eine Lötvorrichtung
mit einer Ummantelung zur Aufnahme einer Schutzgasatmosphäre beschrieben,
bei der die Ummantelung einen Einlass für Flachbaugruppen auf einer
Einlass-Seite und einen Auslass für Flachbaugruppen auf einer
Auslass-Seite aufweist, wobei der Ein- und Auslass jeweils mit mindestens
einer jeweils die Ein- und Auslassöffnung der Ummantelung im wesentlichen
abdeckenden flexiblen Klappe verschließbar ist. Die Flachbaugruppen werden
vorzugsweise in Förderrahmen
eingespannt, die Öffnungsmittel
aufweisen, durch die eine Frontseite der Klappen selbsttätig angehoben
wird. Als Öffnungsmittel
wird der Rahmen an sich eingesetzt, der mit seiner Frontseite die
Klappen durch Biegung der flexiblen Klappe öffnet, so dass der Ein- oder Auslass
freigegeben wird. Nach Durchlaufen des Rahmens bewegt sich die Klappe
aufgrund ihrer Flexibilität
in ihre Schließposition
zurück.
Wenn die Höhe
des Förderrahmens
geringer ist als die Höhe von
Bauteilen der Flachbaugruppe, besteht bei diesem Gegenstand die
Gefahr, dass Bauteile der Flachbaugruppen berührt und so beschädigt, umgeworfen
oder verschoben werden können.
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Alle
Klappensysteme haben den Nachteil, dass die Klappengröße den jeweils
zu lötenden
Bauteilen angepasst werden muss, um den Sauerstoffeintrag während der
Klappenöffnung
so gering wird möglich
zu halten. Auch erfolgt die Öffnung
der Klappe in der Regel durch Berührung mit dem Bauteil, so dass
es zu einer Beschädigung
oder Verschiebung des Bauteils kommen kann.
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Aus
der WO 96/04095 ist eine Lötvorrichtung bekannt
geworden, bei der anstelle der Klappen Gasvorhänge zum Einsatz kommen. Hierzu
sind Düsen vorgesehen,
die sich oberhalb der Ebene der Flachbaugruppen sowie senkrecht
zu deren Bewegungsrichtung erstrecken. Aus diesen Düsen wird
Stickstoff unter hohem Druck in Richtung auf die Flachbaugruppen
eingebracht, der auf diese Weise einen die Schutzgasatmosphäre von der
Umgebungsatmosphäre
trennenden Gasvorhang bildet.
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Mit
dieser Vorrichtung ist eine berührungsfreies
Einführen
der Bauteile in den Lötbereich
möglich.
Dennoch kann es durch turbulente Luftströmungen noch zu einem nicht
zu unterschätzenden
Sauerstoffeintrag kommen.
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In
der
US 50 90 651 ist
eine Lötvorrichtung beschrieben,
bei der zur Bildung von Gasvorhängen beheiztes
Inertgas eingesetzt wird. Durch die Beheizung der Gasvorhänge werden
turbulente Strömungen,
die auf die deutlichen Temperaturunterschiede zwischen der Schutzgasatmosphäre und der
Umgebung zurückzuführen sind,
und damit der Eintrag von Sauerstoff, deutlich vermindert. Die Aufheizung
des Inertgases ist jedoch mit einem recht hohen Energieverbrauch
verbunden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Lötvorrichtung der eingangs genannten
Art energiesparender und wirtschaftlicher zu gestalten.
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Gelöst ist diese
Aufgabe bei einer Lötvorrichtung
der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung dadurch, dass die
Heizeinrichtung einen mit der Schutzgasatmosphäre und/oder dem Lotbad wärmeverbundenen
Wärmetauscher
umfasst.
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Bei
der Erfindung wird also das Gas für den Gasvorhang, der zum Trennen
der sauerstoffreduzierten Schutzgasatmosphäre von der Umgebungsatmosphäre dient,
vor der Zuführung
an die Gasdüsen
aufgeheizt. Hierzu wird die Wärme eingesetzt, die
im Lotbad oder der Schutzgasatmosphäre ohnehin vorhanden ist. Wesentlich
ist dabei, dass die Temperatur des Gases gleich oder höher ist
als die Temperatur der Umgebungsatmosphäre. Das aus den Gasdüsen unter
Druck ausströmende
heiße
Gas expandiert beim Auftreffen auf die kältere Umgebungsatmosphäre und verdrängt diese.
Bei gleicher Temperatur von Gasvorhang und Umgebungsatmosphäre werden
thermisch bedingte turbulente Luftströmungen, die beim Stand der
Technik entstehen können,
vermieden. Der Eintrag von Sauerstoff durch die Öffnung wird so auf ein Minimum
reduziert.
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Die
Lötvorrichtung
kann dabei eine Wellenlötanlage
oder eine Reflowlötanlage
sein. Der Begriff "Wellenlötanlage" bedeutet gemäß der Erfindung eine
Anlage in der ein Badlötverfahren
mit bewegtem Lotbad zum Einsatz kommt, während unter der Bezeichnung "Reflowlötanlage" hier eine Vorrichtung
zu verstehen ist, in der durch unterschiedliche Wärmeenergiequellen
bzw. Verfahren zur Erwärmung,
z.B. Erwärmung
durch Konduktion, Konvektion, Kondensation, Photonen oder eine Kombination
dieser Verfahren der Umschmelzvorgang des Lotdepots und damit der
Verbindungsbildung zwischen Lötanschluss
und Pad-Struktur
der Leiterplatte eingeleitet wird. Bei der Auslegung der Lötvorrichtung
als Reflowlötanlage
ist die Ummantelung zur Aufnahme einer Schutzgasatmosphäre jeglicher
Art vorgesehen, die beispielsweise aus Stickstoff oder Formiergas
bestehen oder eine dampfförmige
Atmosphäre
sein kann.
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Vorteilhafterweise
umfasst die Heizeinrichtung eine elektrisch betriebene Heizanordnung,
bei der das zur Herstellung des Gasvorhangs eingesetzte Gas beispielsweise
mit einem in der Gaszuführung angeordneten
Heizdraht beheizt wird.
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Um
in besonders zuverlässiger
Weise einen Eintrag von Sauerstoff aus der Umgebungsatmosphäre zu unterbinden,
sieht einer Weiterbildung der Erfindung vor, dass sich die Gasdüse quer
zur bestimmungsgemäßen Bewegungsrichtung
der Flachbaugruppen erstreckt, und zwar über zumindest annähernd die
gesamte Breite des Eingangsbereichs bzw. des Ausgangsbereichs. Die
Gasdüse
kann dabei mit einer einzigen schlitzförmigen Düsenöffnung versehen sein, die sich über zumindest
nahezu die gesamte Länge
der Düse
im Innern der Ummantelung erstreckt, oder es können in einer Düse mehrere beabstandet
voneinander angeordnete Düsenöffnungen
vorgesehen sein.
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Die
Gasdüse
ist zweckmäßigerweise
oberhalb und/oder unterhalb der durch die Bewegung der Flachbaugruppen
definierten Ebene angeordnet. Beim Einsatz von jeweils zwei Gasdüsen, von
denen eine oberhalb und eine unterhalb der Bewegungsebene der Flachbaugruppen
angeordnet ist, wird besonders wirksam verhindert, dass sich im
Windschatten des Bauteils ein Bereich ohne Gasvorhang bildet, durch
den es zu einem unerwünschten
Sauerstoffeintrag kommen kann.
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In
einer abermals vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass im Eingangs- und/oder im Ausgangsbereich jeweils mehrere Gasvorhänge vorgesehen
sind, die ein Schleusensystem bilden, bei dem also stets wenigstens
ein Gasvorhang existiert, der von keiner Flachbaugruppe durchlaufen
wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 6 gelöst.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
werden die Flachbaugruppen durch den Eingangsbereich einer einen
Lotbehälter überdeckenden
Ummantelung eingeführt,
im Lotbehälter
mit einer Lotwelle in Kontakt gebracht und durch einen Ausgangsbereich
der Ummantelung herausgeführt.
In zumindest in einem den Lotbehälter überdeckenden
Bereich des Innenraums der Ummantelung besteht eine Schutzgasatmosphäre, die
durch Gasvorhänge
aus durch Gasdüsen
eingeblasenem Inertgas von einer Umgebungsatmosphäre abgegrenzt
wird. Dabei wird das zur Herstellung der Gasvorhänge eingesetzte Inertgas auf eine
Temperatur erhitzt, die gleich oder höher ist als die Temperatur
der Schutzgasatmosphäre.
Das beim Einblasen expandierende Inertgas verdrängt die Umgebungsatmosphäre und verhindert
dadurch wirksam den unerwünschten
Eintrag von Sauerstoff. Hierdurch werden Luftströmungen, die aufgrund einer
Temperaturdifferenz zwischen dem für die Herstellung der Gasvorhänge eingesetzten
Inertgas und der Schutzgasatmosphäre entstehen und zu einem unerwünschten
Eintrag von Sauerstoff führen
könnten,
wirksam unterbunden.
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Ein
besonders vorteilhaftes Inertgas ist Stickstoff oder ein Gasgemisch,
das überwiegend aus
Stickstoff besteht.
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Zweckmäßigerweise
weist die Schutzgasatmosphäre
gegenüber
der Umgebungsatmosphäre einen Überdruck
auf, der an den Öffnungen
der Ummantelung zu einer Luftströmung
nach außen
führt und
auf diese Weise den unerwünschten
Sauerstoffeintrag weiter reduziert.
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Anhand
der einzigen Zeichnung sollen nachfolgend ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert werden.
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In
einer schematischen Ansicht zeigt 1 eine Lötvorrichtung
im Längsschnitt.
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Die
Lötvorrichtung 1 umfasst
einen Lötbehälter 2,
im Ausführungsbeispiel
ein Wellenlöttiegel,
mit einem Vorheizsystem 3 und eine Ummantelung 4,
die den Lotbehälter 2 sowie
das Vorheizsystem 3 abdeckt. Die Ummantelung 4 dient
zum Aufnehmen eines Inertgases, beispielsweise Stickstoff oder ein überwiegend
aus Stickstoff bestehendes Gas, das an einem Gaseinlass 5 zugeführt wird.
Anstelle einer den Lotbehälter 2 und
das Vorheizsystem 3überdeckenden
Ummantelung 4 kann auch eine Haube zum Einsatz kommen,
die lediglich den Lotbehälter 4 überdeckt.
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Die
Ummantelung
4 ist mit einer Transporteinrichtung
7,
etwa einer Schiene oder einem Band, versehen, an der Flachbaugruppen
8 durch
die Ummantelung
4 hindurchgeführt werden. Die Flachbaugruppen
8 durchlaufen
dabei einen das Vorheizsystem
3 überdeckenden Eingangsbereich
10 und
werden aufgeheizt. Dem Eingangsbereich
10 kann dabei in
bekannter und zum Beispiel in der
DE 197 49 184 A1 beschriebenen Weise ein
Vortunnel vorgeschaltet sein, der indes hier nicht gezeigt ist.
Die aufgeheizten Flachbaugruppen gelangen in den eigentlichen Lötbereich
11,
der den Lötbehälter
2 überdeckt
und in den auch der mit einer Schutzgaszuleitung
6 zum
Zuführen
des Inertgases strömungsverbundene
Gaseinlass
5 einmündet.
Im Lötbereich
11 werden
die Flachbaugruppen
8 von einer im Lötbehälter
2 erzeugten Lötwelle
12 mit
Lot benetzt und verlassen die Ummantelung
4 durch einen
Ausgangsbereich
13.
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Auf
der dem Lotbehälter 2 jeweils
zugewandten Seite ist sowohl der Eingangsbereich 10 als
auch der Ausgangsbereich 13 mit Düsen 14a, 14b, 15a 15b versehen.
Die Düsen 14a, 14b sind
in einem dem Lötbereich 11 zugewandten
Abschnitt des Eingangsbereichs 10 sowohl oberhalb (14a)
als auch unterhalb (14b) einer durch die Bewegung der Flachbaugruppen 8 definierten
horizontalen Ebene angeordnet und erstrecken sich über die
gesamte Innenbreite des Eingangsbereichs 10. Zum Bilden
eines Gasvorhangs 16 sind die Düsen 15a, 15b auf
ihrer im Einbauzustand den Flachbaugruppen 8 zugewandten
Seite mit einer langgestreckten Düsenöffnung oder mit einer Anzahl
voneinander beabstandeter Öffnungen
mit etwa rundem Querschnitt versehen. Die Öffnung bzw. die Öffnungen
sind derart an der Düse 14a bzw. 14b angeordnet,
dass das durch die Düse 14a bzw. 14b geleitete
Gas in einem gegenüber
der Vertikalen in Richtung entgegen der Bewegungsrichtung der Flachbaugruppen 8 geneigten Winkel
von 0° bis
90° in den
Eingangsbereich 10 abströmt. Die aus den Düsen 14a und 14b abströmenden Gasströme bilden
gemeinsam den eingangsseitigen Gasvorhang 16.
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Die
Düsen 15a, 15b befinden
sich an der dem Lötbereich 11 zugewandten
Seite des Ausgangsbereiches 13, oberhalb (15a)
bzw. unterhalb (15b) der durch die Bewegung der Flachbaugruppen 8 definierten
horizontalen Ebene und erstrecken sich in etwa über die gesamte Innenbreite
des Ausgangsbereiches 13 an dieser Stelle. Die Düsen 15a, 15b sind
mit jeweils einer langgestreckten oder mit mehreren voneinander
beabstandeten Düsenöffnungen ausgestattet,
die derart an der Düse 15a bzw. 15b angeordnet
sind, dass durch die Düse 15a bzw. 15b geleitetes
Gas mit einem gegenüber
der Vertikalen in Bewegungsrichtung der Flachbaugruppen 8 geneigten
Winkel von 0° bis
90° in den
Ausgangsbereich 13 abströmt. Die beiden Gasströme der Düsen 15a und 15b bilden
gemeinsam einen ausgangseitigen Gasvorhang 17.
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Als
zur Bildung der Gasvorhänge 16, 17 geeignetes
Gas kann beispielsweise Stickstoff oder ein überwiegend aus Stickstoff bestehendes
Gas verwendet werden. Bevorzugt handelt es sich dabei um das gleiche
Gas, das auch zur Bildung der Schutzgasatmosphäre im Lötbereich 11 zum Einsatz kommt.
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Es
ist weiterhin möglich,
auch an den vom Lötbereich
jeweils entgegengesetzten Endabschnitten des Eingangsbereiches 10 und/oder
des Ausgangsbereichs 13 und/oder in einemdem Eingangsbereich 10 vorgeschalteten
Vortunnel einen oder mehrere Gasvorhänge anzuordnen, die nach Aufbau und
Funktion den Gasvorhängen 16, 17 entsprechen.
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Die
Gasvorhänge 16 und 17 grenzen
die Schutzgasatmosphäre
im Lötbereich 11 von
der Umgebungsatmosphäre
ab und vermindern den Eintrag von Sauerstoff aus der Umgebungsatmosphäre in den
Lötbereich
während
des Transports der Flachbaugruppen 8. Um den Sauerstoffeintrag
aus der Umgebungsatmosphäre
weiter zu verringern, wird das durch die Düsen 14a, 14b, 15a, 15b geleitete Gas
aufgeheizt.
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Hierzu
durchläuft
das aus einem Gasvorrat 19 entnommene Gas ein Leitungssystem 21,
das mit den Düsen 14a, 14b, 15a, 15b strömungsverbunden ist.
Dabei dient ein Anschluss 25 zur Strömungsverbindung der Düsen 14b, 15b mit
dem Gasvorrat 19, die ansonsten jedoch – aus Gründen der Übersichtlichkeit – im Bild
nicht gezeigt ist.
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In
das Leitungssystem 21 sind Heizeinrichtungen 22a, 22b, 23a, 23b und 24 integriert.
Bei den Heizeinrichtungen 22a, 22b, 23a und 23b handelt
es sich dabei um elektrische Heizeinrichtungen, beispielsweise um
innerhalb der Leitung angeordnete, elektrisch beheizte Drähte. Die
Heizeinrichtung 24 umfasst einen Wärmetauscher, der innerhalb
der Ummantelung 4 angeordnet ist und der die im Lötbereich 11 bestehende
Hitze ausnutzt, um das im Leitungssystem 21 zur Düse 14a strömende Gas
zu erwärmen.
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Selbstverständlich können im
Leitungssystem ein oder mehrere Wärmetauscher vorgesehen sein,
die jeweils die innerhalb der Ummantelung 4 bestehende
Hitze zur Gasheizung ausnutzt. Des weiteren ist es möglich, das
zu allen Düsen 14a, 14b, 15a, 15b geleitete
Gas, ergänzend
oder anstelle der Heizung durch eine elektrische Heizeinrichtung 22a, 22b, 23a, 23b,
durch einen entsprechenden Wärmetauscher 24 hindurchzuführen.
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Das
zu den Düsen 14a, 14b, 15a, 15b geführte Gas
wird durch die Heizeinrichtungen 22a, 22b, 23a, 23b, 24 auf
eine Temperatur erwärmt,
die erheblich über
der Temperatur der Umgebungsatmosphäre liegt. Vorzugsweise soll
die Gastemperatur einen Wert betragen, der gleich oder größer als
die Temperatur der Schutzgasatmosphäre im Lötbereich 11 ist. Das
heiße
Gas strömt
unter Druck aus den Düsen 14a, 14b, 15a, 15b aus.
Dabei führt
die hohe Temperatur zu einer weiteren Expansion des ausströmenden Gases
und verdrängt
die Umgebungsatmosphäre.
Die Flachbaugruppe wird entgegen seiner Bewegungsrichtung mit dem
expandierenden Gas umspült
und Sauerstoff, der in Nischen oder Taschen der Bauteile mitgeführt wird,
wird verdrängt.
Die Schutzgaszufuhr in den Lötbereich 11 kann
somit minimiert werden.
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Das
System der Gasvorhänge 16, 17 arbeitet berührungslos.
Flachbaugruppen oder andere Bauteile, die in der Lötvorrichtung 1 gelötet werden,
können
nicht aufgrund des mechanischen Kontakts mit einem Klappensystem
beschädigt
werden. Die Anordnung der Düsen 14a, 14b, 15a, 15b innerhalb
der Ummantelung 4 ist so gewählt, dass das Löten von Bauteilen
unterschiedlicher Bauhöhe
ohne bauliche Veränderungen
an der Ummantelung 4 möglich
ist.
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- 1.
- Lötvorrichtung
- 2.
- Lötbehälter
- 3.
- Vorheizsystem
- 4.
- Ummantelung
- 5.
- Gaseinlass
- 6.
- Schutzgaszuleitung
- 7.
- Transporteinrichtung
- 8.
- Flachbaugruppen
- 9.
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- 10.
- Eingangsbereich
der Ummantelung
- 11.
- Lötbereich
- 12.
- Lötwelle
- 13.
- Ausgangsbereich
der Ummantelung
- 14a,
14b
- Düsen
- 15a,
15b
- Düsen
- 16.
- Gasvorhang
- 17.
- Gasvorhang
- 18.
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- 19.
- Gasvorrat
- 20.
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- 21.
- Leitungssystem
- 22a,
22b
- elektrische
Heizeinrichtungen
- 23a,
23b
- elektrische
Heizeinrichtungen
- 24.
- Wärmetauscher
- 25.
- Anschluss